Увлекательно о космосе. Межпланетные путешествия - Яков Перельман

Отсюда искомое полезное действие

Оно достигает наибольшей величины при у = с, то есть когда автомобиль движется со скоростью вытекания продуктов взрыва.

По этой формуле легко вычислить полезное действие ракетного автомобиля; например, для с = 2000 м/с и у = 200 км/ч = 55 м/с:

k = 5,5 %.

Чтобы соперничать в экономичности с обыкновенным автомобилем, полезное действие которого около 20 %, авторакета должна обладать скоростью не ниже 760 км/ч. Но подобная скорость для колесного экипажа практически недопустима, так как сопряжена с опасностью разрыва бандажей колес центробежным эффектом.

Начальная скорость

Читатели пожелают, вероятно, узнать, как вычисляется скорость, с которой тело должно покинуть планету, чтобы преодолеть силу ее притяжения. Вычисление основано на законе сохранения энергии. Тело должно получить при взлете запас кинетической энергии, равный той работе, которую ему предстоит совершить. Если масса тела т, а искомая скорость у, то кинетическая энергия («живая сила») тела в момент взлета

Работа же, совершаемая силой при перемещении с поверхности планеты в бесконечность (при отсутствии других центров притяжения), равна, как устанавливает небесная механика,

где М – масса планеты; R – ее радиус; а k – так называемая постоянная тяготения (см. Приложение 1). Абсолютную величину этой работы приравниваем к кинетической энергии:

откуда

Далее, мы знаем, что вес тела на поверхности планеты, то есть сила, с какою планета его притягивает, равен, по закону тяготения:

если масса тела m. Механика дает нам также и другое выражение для веса – произведение массы на ускорение, ma.

Значит,

откуда

и, следовательно, формула

принимает вид:

υ2 =2aR,

откуда

Подставляя вместо а ускорение тяжести на планете, а вместо R – радиус, получаем величину скорости, с какою тело навсегда покидает планету. Например, для Луны а = 1,62 м/с2, R = 1 740 000 м. Поэтому искомая скорость

На том же можно основать вычисление начальной скорости снаряда или ракеты, которые, покинув Землю, должны долететь до точки равного притяжения между Землей и Луной. Масса Земли в 81 раз больше массы Луны, а так как сила притяжения уменьшается пропорционально квадрату удаления, то притяжения Земли и Луны уравниваются на расстоянии от Земли в 9 раз большем, чем от Луны (тогда притяжение Земли ослабеет в 9 × 9, то есть в 81 раз больше, чем притяжение Луны). Значит, точка равного притяжения лежит в 0,9 расстояния между Землей и Луной; последнее равно 60,3 радиуса R земного шара, так что ядро должно пролететь расстояние D = 0,9 × 60,3R = 54,3R. Обозначив искомую скорость, с какой тело должно покинуть Землю, через υ, имеем для кинетической энергии тела в момент вылета, где m – масса тела. Произведенная же этим телом работа, по законам небесной механики, равна потерянной потенциальной энергии, то есть разности потенциальной энергии Е1 и Е в конечной и начальной точках пути. Поэтому

Здесь Е1 есть потенциальная энергия тела в конечной точке пути по отношению к Земле и к Луне. Первая часть потенциальной энергии равна:

где k — постоянная тяготения; М — масса Земли; m – масса брошенного тела; D — расстояние тела от центра Земли в конечной точке пути.

Вторая доля равна потенциальной энергии (по отношению к Луне):

где k и m имеют прежние значения; Мt – масса Луны; d – расстояние тела от центра Луны в конечной точке пути.